螺旋线阵列等离子体透镜

螺旋线形等离子体透镜(Spiral Plasmonic Lens,SPL)是一类具有手性相关的等离子体透镜(Plasmonic Lens,PL)。在选择线性偏振光入射时,其可以消除环形PL的缺陷,在中心产生一个聚焦。在不同偏振态的圆偏振光照射下,可以产生随着手性或者不同的入射偏振态变化的聚焦或者发散的现象。

1.线性偏振光入射

一个单匝右手的螺旋线形PL,其结构是在一个金属薄膜上加工一个螺旋线形的缝隙,如图7-1所示。在笛卡儿坐标下,它的右手螺旋线缝隙的结构可以表示为

式中,r 0为初始半径常数;Λ的数值为表面等离子体波长λSPP。

当我们使用一个线性偏振光从PL的入射端照射后,入射光透过螺旋线形缝隙激励SPPs,则圆周相对的两点(例如B、D)所产生的SPPs向中心传播。由于缝隙的结构被设计为阿基米德螺旋线形,我们可以发现像图7-1中A和C、B和D这样的相对点,它们的光程差都是r 2-r 0=r 3-r 1=0.5λspp,因此每两个相对点激励的SPPs传播到中心位置的相位差为π,从而导致在中心位置干涉相长。正因为这样的结构特点,偏振方向为任何方向的线性偏振光,圆周上每两个相对点的光程差都为0.5λSPP,传播到中心位置的SPPs相位差都为π,都可以产生干涉相长。右手螺旋线形PL在不同线性偏振光照射下的FDTD仿真结果如图7-2(a)(c)(d)所示,图(b)为图(a)中白色虚线所在不同位置的电场分布。

图7-1　单匝右手和左手螺旋线形PL结构示意图

2.圆偏振光入射

SPL可以解决环形PL在线性偏振光照射下中心产生旁瓣的问题,同时SPL也可以在不同偏振态的圆偏振光下照射产生聚焦或者发散的现象。这个过程我们可以进行简单解释,在笛卡儿坐标系中,如图7-1所示,一个左手SPL可以表示为

式中,r 0为初始半径常数;Λ的数值为表面等离子体波长λSPP。这里我们考虑一个右旋圆偏振光入射,一个右旋圆偏振光源可以表示为

图7-2(www.xing528.com)

(a)(c)(d)右手螺旋线形PL在不同线性偏振光照射下的FDTD仿真结果;(b)图(a)中白色_虚线所在不同位置的电场分布

式中,eiφ为几何相位。对于一个很窄的缝隙可以耦合和激励SPPs。在观察点(R,θ)的等离子体场可以表示为

将式(7-4)代入,因此在观察点的等离子体场为

忽略SPPs的传播损耗,例如Im(k r)≈0,则有

从式(7-6)我们可以看出,一个左手SPL可以将一束右旋圆偏振光聚焦成零阶贝塞尔函数形式的倏逝波光束。同时也表明更大的尺寸半径r 0能够增大更强的聚焦点的电场强度。但是,实际上SPPs在表面传播过程中是存在损耗的,因此并不是r 0越大越好。类似地,对于一个左旋圆偏振光,靠近SPL的几何中心等离子体场可以计算为

该公式可以体现在中心位置会形成一个暗斑,如图7-3所示。

图7-3